一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器系统，其主要包括：柔性吞咽轮模块，多指闭合模块和腕部旋转模块；其特征为末端执行器本身结构紧凑，在柔性吞咽轮模块、多指闭合模块以及腕部旋转模块的协作下，可以在柔性吞咽滚轮仅接触小型球形果实的条件下，通过柔性吞咽滚轮的主动旋转以实现果实的快速、稳定抓取；本发明专利技术能够有效解决传统夹持式采收末端执行器需要夹持球形果实赤道面区域而导致的采摘效率低，以及吸附式采收末端执行器易受多余枝叶阻挡而导致的采摘成功率不高的问题。率不高的问题。率不高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器系统


[0001]本专利技术属于农业机械化及自动化装备
，具体涉及一种农业智能装备，特别是涉及用于小型球形果实采摘的末端执行器系统设计。

技术介绍

[0002]中国是一个农业大国，果蔬产业规模大，根据观研报告网发布的《2021年中国水果种植产业分析报告
‑
产业规模现状与发展趋势分析》显示，目前我国是全球水果第一生产大国，果园面积不断扩大。根据数据显示，2020我国果园面积稳定在13333.33千公顷左右，预计2021年果园面积可达13698.46千公顷。
[0003]果蔬的采摘是整个生产链中最耗时、最费力的一个环节。成熟果蔬果实大多较为脆弱，在采摘过程中极易造成损伤。目前，我国果蔬采摘普遍都是人工采摘，人工采摘成本占果蔬生产总成本的50％～70％，采摘自动化将会带来巨大经济效益。
[0004]传统夹持式采摘末端执行器需要对准球形果实赤道面或赤道面附近区域以实现果实的顺利抓取，这限制了采摘效率；吸附式采摘末端执行器通常依靠负压建立末端执行器与果实间的约束关系，但易受多余枝叶的影响，采摘成功率并不高。

技术实现思路

[0005]本专利技术设计了一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器系统，可实现小型球形果实的高效、无损采摘。
[0006]本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007]其特征在于，包括：柔性吞咽轮模块，多指闭合模块，腕部旋转模块；
[0008]柔性吞咽轮模块，包括柔性吞咽滚轮、滚轮传动机构、电机、吞咽轮框架，电机通过滚轮传动机构驱动柔性吞咽滚轮转动，柔性吞咽滚轮主动旋转产生的摩擦力驱动球形果实朝末端执行器内部移动；
[0009]多指闭合模块，包括柔性顺应结构、两个及以上的手指杆件以及用于驱动所述手指杆件运动的电机，手指杆件与所述柔性吞咽轮模块的吞咽轮框架连接；
[0010]腕部旋转模块，包括腕部底座、腕部盖板、轴承、电机以及电机与盖板间的连接件，多指闭合模块固定于腕部旋转模块上
[0011]进一步的，所述柔性吞咽轮模块在吞咽球形果实过程中与果实接触的部件为柔性吞咽滚轮，柔性吞咽滚轮安装于吞咽轮框架上，具有主动旋转能力。柔性吞咽轮模块安装于多指闭合模块的每个手指杆件末端关节上。吞咽滚轮表面附着柔性材料，可在与果实交互的过程中减少果实损伤。
[0012]进一步的，所述多指闭合模块具有两个及以上的手指杆件，每个手指杆件的结构相同，均有一个或多个自由度，每个自由度的对应关节上安装电机，其中与腕部旋转模块连接的电机圆周均匀排列在腕部旋转模块的盖板上面。
[0013]进一步的，所述多指闭合模块的柔性顺应结构嵌在手指关节内侧，通过使用柔性
材料实现果实被完全吞入后的形状顺应。
[0014]进一步的，所述腕部旋转模块在球形果实被完全吞咽、约束之后，提供旋转自由度，带动整个果实旋转，从而实现果实与果梗分离。
[0015]所述小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器采摘球形果实时的吞咽行为如下：首先，多指闭合模块张开，柔性吞咽滚轮与球形果实接触，吞咽滚轮转动，摩擦力使球形果实朝末端执行器内部运动；其次，随着球形果实的吞入，多指闭合模块开合角度逐渐增大，在吞咽进球形果实赤道面之后，多指闭合模块开合角度又逐渐减小，直至目标果实被完全吞入；最后，球形果实进入多指闭合模块的柔性顺应区域，吞咽滚轮停止转动，完成对果实的柔顺约束。
[0016]和现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：
[0017](1)本专利技术一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器体现了结构紧凑、控制简单、无损化采摘的特点；(2)本专利技术采用主动吞咽采收方式，可以在仅接触球形果实表面的条件下，通过模块间的协作与吞咽滚轮的主动旋转将球形果实吞咽进末端执行器内并约束住，不需要夹持球形果实的赤道面，也不需要考虑多余枝叶的影响，提高了果实采摘的效率与成功率；(3)本专利技术采用电机作为执行元件，比气动元件(如气泵等)更易携带。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器的整体结构示意图；
[0019]图2是图1末端执行器的抓取球形果实效果示意图；
[0020]图3是图1末端执行器的柔性吞咽滚轮模块的滚轮传动机构的内部结构示意图；
[0021]图4是图1末端执行器的多指闭合模块的单根手指杆件的结构示意图；
[0022]图5是图1末端执行器的腕部旋转模块上部分结构示意图；
[0023]图6是图1末端执行器的腕部旋转模块下部分结构示意图；
具体实施方式
[0024]下面结合说明书附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细的说明。
[0025]如图1所示，一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器，以三根手指、每根手指杆件具有一个自由度为例，多指闭合模块具有三根手指，每根手指配备一个电机，柔性吞咽轮模块固定在多指闭合模块末端，柔性吞咽轮模块和多指闭合模块组成的整体安装在腕部旋转模块上面。
[0026]具体的，末端执行器包括第一吞咽轮框架1，第一柔性吞咽滚轮11，第一手指杆件4，第一柔性顺应结构41，第一手指杆件驱动电机7，第二吞咽轮框架2，第二柔性吞咽滚轮21，第二手指杆件5，第二柔性顺应结构51，第二手指杆件驱动电机8，第三吞咽轮框架3，第三柔性吞咽滚轮31，第三手指杆件6，第三柔性顺应结构61，第三手指杆件驱动电机9，腕部底座10，腕部盖板102。柔性吞咽滚轮11、21、31分别安装在吞咽轮框架1、2、3的顶端，在吞入球形果实过程中主动旋转。吞咽轮框架1、2、3分别通过螺丝安装在手指杆件4、5、6的末端。柔性顺应结构41、51、61内嵌在手指杆件4、5、6的内侧，可对球形果实建立形封闭。手指杆件4、5、6利用U型支架71、81、91与驱动电机7、8、9连接，满足手指闭合运动需求。驱动电机7、8、
9通过螺丝圆周均匀固定在腕部盖板102上方(夹角120
°
)，提供果实与果梗分离过程中的旋转自由度。因此，末端执行器具有主动吞咽、旋转分离果实能力，可以满足整个主动吞咽式采摘的运动需求。
[0027]如图2所示，当球形果实被完全吞入末端执行器中，此时柔性顺应结构41、51、61充分适应球形果实表面，对球形果实建立形封闭，接下来，腕部旋转模块旋转以将果实与果柄分离。
[0028]如图3所示，柔性吞咽轮模块内部结构(以齿轮传动为例)包括第一柔性吞咽滚轮11、第一微型电机12、第一滚轮传动机构13、第一柔性吞咽滚轮模块底面盖板14、第一柔性吞咽滚轮模块侧面盖板15、第一轴承盖板16、第一滚轮轴承对17。
[0029]其中，第一柔性吞咽滚轮11通过第一滚轮轴承对17固定在第一吞咽轮框架1的顶端，第一微型电机12通过第一滚轮传动机构13驱动第一柔性吞咽滚轮11旋转。第一柔性吞咽滚轮模块底面盖板14通过螺丝将第一微型电机12内嵌在第一吞咽轮框架1的底部空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器系统，其特征在于，包括：柔性吞咽轮模块，包括柔性吞咽滚轮、滚轮传动机构、电机、吞咽轮框架，电机通过滚轮传动机构驱动柔性吞咽滚轮转动，柔性吞咽滚轮主动旋转产生的摩擦力驱动球形果实朝末端执行器内部移动；多指闭合模块，包括柔性顺应结构、两个及以上的手指杆件以及用于驱动所述手指杆件运动的电机，手指杆件与所述柔性吞咽轮模块的吞咽轮框架连接；腕部旋转模块，包括腕部底座、腕部盖板、轴承、电机以及电机与盖板间的连接件，多指闭合模块固定于腕部旋转模块上。2.根据权利要求1所述的小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器，其特征在于：所述柔性吞咽轮模块在吞咽球形果实过程中与果实接触的部件为柔性吞咽滚轮，柔性吞咽滚轮安装于吞咽轮框架上，具有主动旋转能力。柔性吞咽轮模块安装于多指闭合模块的每个手指杆件末端关节上。吞咽滚轮表面附着柔性材料，可在与果实交互的过程中减少果实损伤。3.根据权利要求1所述的小型球形果实柔性主动吞咽式采收末端执行器，其特征在于：所述多指闭合模块具有两个及以上的手指杆件，每个手指杆件的结构相同，均有一个或多...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦欢欢，刘海奇，卢伟，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：